Recreación artística de dos estrellas de neutrones comisionando, produciendo ondas gravitacionales. Imagen: NASA.

David Reitze, director ejecutivo del LIGO, subi√≥ al estrado de la Academia Nacional de la Prensa en Washington para pronunciar las palabras que todo el mundo estaba deseando o√≠r: ‚ÄúHemos descubierto las ondas gravitacionales‚ÄĚ. Y en un auditorio repleto del Caltech, en Pasadena, con streaming en vivo, todos comenzaron a aplaudir entusiasmados.

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Escenas similares se repitieron, probablemente, en el MIT, en Livingston, en Louisiana, Hanford, Washington y en Europa, dado que LIGO supone una colaboraci√≥n internacional de mil millones de d√≥lares con cientos de cient√≠ficos. Han hecho falta 100 a√Īos para llegar a este momento. Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales con su teor√≠a general de la relatividad en 1915, aunque varios f√≠sicos descubrieron evidencias de ellas en los 70 y los 80. La detecci√≥n directa, sin embargo, hab√≠a resultado ser bastante elusiva hasta hoy. La historia de las ondas gravitacionales y lo que van a ser capaces de aportarnos es solo el principio.

El principio

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Sucedi√≥ as√≠: el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 EST los detectores LIGO de Livingston y Hanford detectaron una se√Īal con apenas milisegundos de diferencia (7). Las formas de onda de esas se√Īales se asemejaban mucho con las predicciones simuladas hasta la fecha (ver imagen de la izquierda).

Digamos que es como una huella dactilar auditiva, similar a las que los f√≠sicos que estudian las part√≠culas subat√≥micas en el LHC utilizan para identificarlas. Y es exactamente lo que esperaban encontrar si dos agujeros negros, cada uno con una masa 30 veces la de nuestro Sol, colisionasen en espiral hasta fusionarse, enviando poderos√≠simas ondas de choque a trav√©s del espacio-tiempo, hace unos 1.300 millones de a√Īos.

La se√Īal fue tan limpia, de hecho, que Reitze temi√≥ inicialmente que todo fuese demasiado bueno como para ser cierto. A Alan Weinstein, que dirige LIGO en Caltech, le ocurri√≥ algo similar. Despu√©s de todo, en las etapas tempranas de LIGO, los responsables del proyecto hab√≠an introducido de manera deliberada se√Īales falsas en el flujo de datos para poner a prueba el rigor cient√≠fico del an√°lisis. A√ļn con sus colegas asegur√°ndole que esta nueva se√Īal no correspond√≠a a un test de doble ciego, Weinstein no acababa de creerlo. Lleg√≥ a preguntarse si no era el trabajo de un miembro del equipo disgustado a modo de venganza.

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Quiz√° era, en cambio, el trabajo de un genio del mal: ‚ÄúNo podemos descargar la hip√≥tesis de que todo sea obra de una mente retorcida‚ÄĚ brome√≥ durante la rueda de prensa de Caltech ‚ÄúHemos hecho nuestro mejor trabajo intentando descartarla, as√≠ que me gusta pensar que en realidad estamos hablando de la colisi√≥n de dos agujeros negros‚ÄĚ.

Tan solo a partir de esa se√Īal, los f√≠sicos pudieron interferir las masas de ambos agujeros negros estudiando la frecuencia (uno era 29 veces la masa del Sol, otro 36). Tras la fusi√≥n, al agujero negro reci√©n formado resultante le faltaban unas 3 masas solares, emitidas en forma de poderosas ondas gravitacionales. Imagina 3 de nuestros soles aniquil√°ndose de repente al mismo tiempo y tendr√°s una idea aproximada de la cantidad absurda de energ√≠a de la que estamos hablando. Estudiar la amplitud de onda les permiti√≥ averiguar que la colisi√≥n ocurri√≥ hace unos 1.300 millones de a√Īos en el hemisferio sur.

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Así que el descubrimiento supone no sólo la primera detección directa de las ondas gravitacionales, sino también la primer prueba de que los sistemas binarios de agujeros negros realmente existen. Toda esa información se obtuvo durante una prueba para ingenieros justo después de que el nuevo LIGO, más avanzado, volviese a estar en marcha. Ni siquiera está todavía buscando al máximo de su sensibilidad. Cuando eso ocurra, los físicos esperan observar muchísimos eventos de esto tipo, dándonos una nueva ventana a cómo funciona el universo. De hecho, Weinstein también precisó que 12 nuevos papers relativos al trabajo de LIGO serían publicados al final de ese mismo día.

Eso convierte a LIGO en ‚Äúun nuevo instrumento para observar tipos de radiaci√≥n distinta que nos llegan desde el cielo‚ÄĚ seg√ļn Bill Weber, f√≠sico en la Universidad de Trento y miembro de LISA Pathfinder.

El universo oscuro

‚ÄúLa primera detecci√≥n es muy importante en t√©rminos de f√≠sica fundamental por todo lo que dice sobre la gravedad, pero tambi√©n abre una ventana a lo que hasta ahora se conoc√≠a como universo oscuro‚ÄĚ ampl√≠a Avery Broderick, f√≠sico en el Instituto Perimeter y en la Universidad de Waterloo, Canad√° ‚ÄúDurante siglos, los astr√≥nomos han estado mirando al cielo y pensando en torno al lado luminoso del universo. Ahora vamos a obtener un primer vistazo del otro lado, del oscuro. Y todo el mundo espera que sea igualmente de enriquecedor y excitante‚ÄĚ.

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Piensa en lo potencialmente revolucionario que podr√≠a llegar a ser de este modo: cada vez que los astr√≥nomos han mirado el universo utilizando diferentes tipos de luz (Rayos X, Infrarrojos o rayos gamma) han descubierto aspectos e informaci√≥n que de otro modo habr√≠a permanecido invisible. Las ondas gravitacionales funcionar√°n de manera parecida, aunque de un modo que se acerca m√°s al sonido que a la luz. Ahora, adem√°s de mirar el universo, tambi√©n podremos escucharlo. Como Jorge Cham de PhD Comics explica de manera elocuente en este c√≥mic: ‚Äúimagina que hubieses sido sordo toda tu vida hasta que de repente alguien te restaura la capacidad de o√≠r‚ÄĚ.

La diferencia clave es que mientras que el sonido requiere un medio por el que viajar, las ondas gravitacionales mueven el propio medio, en este caso el espacio-tiempo en s√≠. ‚ÄúLo que hacen, es literalmente, contraer y expandir el tejido del espacio-tiempo‚ÄĚ dice Chiara Mingarelli, astrof√≠sica especializada en ondas gravitaciones del Caltech, a Gizmodo. Para nuestros o√≠dos, las ondas detectadas por LIGO suenan como un ‚Äúchirp‚ÄĚ.

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LIGO no está solo, así son el resto de sensores

¬ŅC√≥mo va a suceder esta revoluci√≥n, exactamente? LIGO tiene dos detectores, que act√ļan como ‚Äúorejas‚ÄĚ para los cient√≠ficos, y m√°s detectores se activar√°n en un futuro. Y aunque s√≠, LIGO ha sido el primero en t√©rminos de detecci√≥n (que era lo que todo el mundo esperaba), no es el √ļnico que importa. Hay m√°s de un tipo de ondas gravitacionales. De hecho, hay un espectro entero, del mismo modo que hay diferentes tipos de luz, de diferentes longitudes de onda, en el aspecto electromagn√©tico. As√≠, hay otro tipo de colaboraciones destinadas a cazar las frecuencias que van m√°s all√° de lo que LIGO est√° dise√Īado para detectar (en el r√©gimen de milisegundos).

Imagen: NanoGRAV

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NanoGrav

Mingarelli trabaja con el NanoGRAV (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), parte de un consorcio internacional m√°s grande que tambi√©n incluye el European Pulsar Timing Array y el Parkes Pulsar Timing Array en Australia. Como el propio nombre implica, los cient√≠ficos de NanoGRAV est√°n buscando ondas gravitacionales de muy baja frecuencia en el r√©gimen de 1 a 10 nanohercios. La sensibilidad de LIGO es en la porci√≥n de kilohercios (audible) del espectro. Eso implica longitudes de ondas muy largas, de hecho, podr√≠a tomar hasta 10 a√Īos completar un solo ciclo.

La colaboraci√≥n se apoya en los datos de p√ļlsar recogidos por el observatorio de Arecibo en Puerto Rico y el Green Bank Telescope de West Virginia. Los p√ļlsares son, en esencia, estrellas de neutrones rotando muy r√°pidamente y se forman cuando estrellas m√°s masivas que el Sol explotan y se contraen. Giran m√°s y m√°s r√°pido conforme se encogen, del mismo modo que un peso al final de una cuerda atada a un palo gira m√°s y m√°s r√°pido conforme la cuerda se va acortando.

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Tambi√©n emite poderosos pulsos de radiaci√≥n conforme gira, del mismo modo que el haz de luz de un faro, y que son detectados como pulsos de luz aqu√≠ en la Tierra. Esas rotaciones peri√≥dicas son extraordinariamente precisas, hasta hace poco de hecho tan precisas como un reloj at√≥mico. Eso las convierte en detectores c√≥smicos ideales de ondas gravitacionales. De hecho, la primera prueba indirecta de la existencia de las ondas vino a partir de estudiar p√ļlsares en 1974, cuando Joseph Taylor Jr. y Russell Hulse encontraron que un p√ļlsar orbitando una estrella de neutrones se estaba encogiendo poco a poco con el tiempo, un efecto que un s√≥lo espera ver si este convierte parte de su energ√≠a en forma de ondas gravitacionales.

En el caso de NanoGRAV, la principal evidencia tendría forma de efecto trémulo. Los pulsos deberían llegar al mismo tiempo, pero si son impactados por una onda gravitacional llegarán un poco antes o un poco después, porque el espacio tiempo se contrae o se expande conforme pasa la onda.

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Los PTAs (Pulsar Timing Arrays) son especialmente sensibles a las ondas gravitacionales producidas por agujeros negros super masivos en fusi√≥n que tiene mil millones o diez mil millones la masa del Sol, los mismos que se sospecha que existen en el centro de las galaxias m√°s grandes. Si dos galaxias de ese tipo se fusionan, as√≠ lo har√≠an los dos agujeros negros en su interior, emitiendo ondas gravitacionales. ‚ÄúLIGO ve el final mismo de la fusi√≥n cuando ambos sistema est√°n muy pr√≥ximos‚ÄĚ ampl√≠a Mingarelli ‚Äúcon los PTAs, en cambio, los ver√≠amos en la etapa temprana, de espiral, justo cuando comienzan a orbitar entre ellos‚ÄĚ.

LISA Pathfinder

Luego est√° la misi√≥n espacial conocida como LISA (Laser Interferometer Space Antenna). En la tierra, LIGO es genial para detectar ondas gravitacionales equivalentes a la porci√≥n humana del espectro auditivo, las mismas que acabamos de descubrir. Pero muchas fuentes interesantes de este tipo de onda suceden en frecuencias m√°s bajas, as√≠ que los f√≠sicos han de lanzarse al espacio para detectarlas. El objetivo principal de la misi√≥n LISA Pathfinder (lanzada en noviembre) es validar la tecnolog√≠a del detector. ‚ÄúCon LIGO, puedes apagar el instrumento, romper el vac√≠o que contiene y arreglarlo‚ÄĚ dice Scott Hughes del MIT ‚ÄúSi la fastidias en el espacio, en cambio, se acab√≥. Tienes que tenerlo todo en orden desde el mismo principio‚ÄĚ. Tal y como escribi√≥ Maddie Stone en Gizmodo en diciembre:

El objetivo de LISA es muy simple: usar interferómetros laser, de modo que la nave podrá intentar medir de manera muy precisa las posiciones relativas de dos cubos de oro-platino de 1,8 pulgadas en caída libre. Se albergan en dos cajas de electrodos separadas a unas 15 pulgadas. Los objetos en cuestión estarán escudados del viento solar y otras fuerzas, de modo que (con suerte) podremos detectar el movimiento que producen en ellos las ondas gravitacionales.

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BICEP2 y Planck

Finalmente, hay dos experimentos dedicados a encontrar las huellas dejada por las ondas gravitacionales primordiales en la radiaci√≥n de fondo de microondas (un eco del Big Bang): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) y la misi√≥n del sat√©lite Planck. BICEP2 fue el primero que, tr√°gicamente, declar√≥ en 2014 que hab√≠a encontrado evidencia de las ondas gravitacionales, pero las se√Īales pertenec√≠an en realidad a polvo c√≥smico.

Ambas colaboraciones en cualquier caso siguen en a la caza, con la esperanza de encontrar información sobre los orígenes de nuestro universo, y aportando con suerte confirmación de una predicción clave de la teoría inflacionaria. Esta teoría predice que, poco después de su nacimiento, el universo pasó por un crecimiento muy acelerado que tuvo que haber producido ondas gravitacionales muy poderosas dejando una huella en la radiación de fondo de microondas con forma de una orientación especial de las ondas de luz (polarización).

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Cada una de estas cuatro ondas gravitacionales les dará a los científicos cuatro nuevas ventanas al universo.

Pero como sabemos lo que todos est√°is pensando (‚Äú¬°¬ŅCuando vamos a poder viajar por el espacio tiempo?!) ¬ŅSignifica LIGO que vamos a poder apuntarnos a la academia espacial la pr√≥xima semana? ‚ÄúCreo que la respuesta es un ‚Äėno‚Äô inequ√≠voco‚ÄĚ dice Broderick ‚Äúpero cuanto mejor entendamos la gravedad, mejor podemos imaginar c√≥mo definirla. Eso es lo que los cient√≠ficos hacen. Intentan entender c√≥mo funciona el universo, para que podamos optimizar nuestra habilidad de doblegarlo a nuestra voluntad dentro de sus normas‚ÄĚ

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